Comportamento meccanico del tessuto epiteliale

Le proprietà meccaniche della pelle sono l’estensibilità, la resistenza all’attrito di superficie e la risposta ai carichi compressivi laterali; mentre la prima è associata al derma e la seconda all’epidermide, l’ultima dipende da entrambe. Le caratteristiche di resistenza della pelle alle sollecitazioni meccaniche sono in gran parte attribuibili al derma (Cleary, 1996; Brown, 1973; Larrabee, 1986). Essendo un tessuto molle, la cute mostra un comportamento elastico non lineare. In una prova di trazione uniassiale, la curva sforzo-deformazione è caratterizzata da una zona iniziale a basso modulo, una intermedia in cui il modulo aumenta gradualmente, una regione con modulo massimo e pressoché costante, e una regione finale in cui il modulo inizia a decrescere fino ad arrivare al completo cedimento del tessuto. In condizioni di riposo il derma si organizza in un network bidimensionale caotico senza manifestazione apparente di direzioni preferenziali nell’orientamento delle fibre. La zona a basso modulo corrisponde alla rimozione delle ondulazioni delle fibre di collagene a riposo e al loro allineamento lungo la direzione di applicazione del carico. A questo punto le fibrille cominciano a resistere alla forza applicata e il modulo aumenta. Quando tutte le fibrille sono allineate viene raggiunto il modulo massimo, che si mantiene costante finché alcune fibrille cedono, provocando una progressiva diminuzione del modulo e il raggiungimento della completa rottura (Figura 2.31).

Figura 2.31 : immagini al microscopio elettronico che mostrano la riorganizzazione delle fibre di collagene del derma per effetto di una sollecitazione a trazione, la barra di stato presente nella figura di sinistra è pari a 15

µm. (riprodotto da Bronw, 1973).

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evidenza il comportamento non lineare del tessuto e può essere diviso in tre regioni (Brown, 1973; Markenscoff e ùyannas, 1978; Fung, 1981; Kwan e Woo,1989).

Figura 2.32 : curva carichi deformazioni in una prova monoassiale su un campione di pelle di larghezza pari a 8 mm. (modificato da Brown, 1973).

Se nella stessa prova uniassiale osservata in precedenza, si prendono ora in considerazione i cambiamenti morfologici dell’epidermide, è possibile distinguere soltanto due fasi: nella prima la forma ondulata dell’epidermide si stira appiattendosi, nella seconda le cellule presenti si allungano, dopodiché non si osservano altre deformazioni. La prima fase si estende fino a circa la metà della fase iniziale che interessa il derma, la seconda fase invece inizia a metà della fase iniziale del derma e si estende nella seconda e nella terza fase del derma. Si può osservare quindi una sostanziale indipendenza nel comportamento a trazione dei due strati e si può concludere che la risposta di derma ed epidermide è disaccoppiata. Questa indipendenza è un’indicazione che l’epidermide non contribuisce significativamente alle proprietà meccaniche della cute (Larrabee, 1986; Lanir e Fung 1976 A e 1976 B). Lo strato sottocutaneo contribuisce in misura ancor più limitata alle prestazioni meccaniche della pelle. Dal punto di vista meccanico, la resistenza alla tensione è maggiore se la forza agisce perpendicolarmente alla superficie cutanea, ed essa dipende dai retinacoli e non dal tessuto adiposo. Inoltre la resistenza varia a seconda della regione considerata; risulta accentuata nelle regioni palmari e plantari, dove i retinacoli sono più o meno

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grossi a seconda della natura e della frequenza degli stimoli a cui sono sottoposti: i retinacoli di una mano callosa hanno spessore doppio o anche triplo di quelli di una mano con pelle sottile.

Esistono porzioni anatomiche anche molto estese in cui è possibile distinguere due direzioni di orientamento preferenziale delle fibre tra loro perpendicolari (Wilkes et al.,1973). Ad esempio, in corrispondenza della schiena, le direzioni di sollecitazione secondo cui il collagene è organizzato sono quelle cranio-caudale e la direzione a questa perpendicolare. Applicando uno sforzo di 1 MPa si ottengono rispettivamente deformazioni del 43% e 30% in direzione parallela e perpendicolare alla direzione cranio-caudale. Inoltre il modulo elastico nella parte lineare della curva sforzo-deformazione risulta di 36 MPa per la direzione parallela e di 38MPa in quella perpendicolare.

Figura 2.33 : curva sforzo deformazione del tessuto epidermico addominale (modificato da Wilkes et al.,1973).

E’ bene notare che il comportamento meccanico in una direzione risulta condizionato in modo determinante dalla deformazione risultante in direzione perpendicolare alla direzione di applicazione del carico. In figura 2.34 sono presentati i risultati delle prove di trazione biassiale e uniassiale condotte da Lanir e Fung (1976) su porzioni di cute di lunghezza X e larghezza Y. Le prove monoassiali sono eseguite in entrambe le direzioni

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x e y senza vincolare la direzione perpendicolare; per quanto riguarda le prove biassiali invece viene imposto un allungamento in una direzione (x/y) mantenendo costante la lunghezza del provino nella direzione perpendicolare (y/x). I due tipi di prova mostrano comportamenti qualitativamente ma non quantitativamente simili nelle due direzioni. Questo perché la prova biassiale presenta una diminuzione della deformazione ottenibile a causa del vincolo allo spostamento imposto.

Figura 2.34 : relazione tra forza e deformazione della pelle in prove monoassiali e biassiali (adattato da Lanir e Fung, 1976 A).

Finora abbiamo analizzato le curve sforzo-deformazione nel caso statico, ma ,nel caso in cui l’equilibrio non venga raggiunto, risulta un comportamento dipendente dalla storia di applicazione del carico (DeHoff, 1978; Fung, 1981). Quando due campioni dello stesso tessuto vengono deformati della stessa quantità ma a velocità di deformazione diverse, lo sforzo risulta maggiore nella prova condotta a velocità superiore e la curva sforzo-deformazione corrispondente appare più ripida rispetto a

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quella condotta a velocità inferiore. Quando un campione di cute viene deformato velocemente e mantenuto al nuovo valore di lunghezza, lo sforzo necessario a mantenere questa nuova lunghezza diminuisce nel tempo per il fenomeno del rilassamento. Quando un campione viene sottoposto ad una tensione costante, la velocità di allungamento del campione diminuisce fino a raggiungere un valore di equilibrio per il fenomeno di creep. E’ inoltre presente il fenomeno d’isteresi: durante fasi di carico-scarico cicliche, la curva sforzo deformazione presenta comportamenti distinti corrispondenti alla fase di carico e scarico. Per i tre fenomeni ora descritti possiamo affermare che lo sforzo in un certo istante di tempo non dipende solo dalla deformazione in quell’istante ma anche dalla storia di deformazione. Imponendo un allungamento monoassiale a un provino di derma, possiamo valutarne il rilassamento misurando la forza necessaria a mantenere l’allungamento imposto: per una prova di durata di 100 s si osserva una diminuzione del 37% della forza che passa da 129g a 55g. Se invece viene fissato il carico lungo una direzione e valutata la deformazione prodotta nel tempo possiamo studiare il creep: con una tensione costante di 100 g dopo 120 s si raggiunge una deformazione del 25% e la maggior parte di questo valore si raggiunge entro i 30 s iniziali (Figura 2.35).

Figura 2.35 : prova di rilassamento e di creep in un campione di cute di dimensione quadrata di 5 cm di lato. Per il rilassamento è imposta una deformazione di 1 cm, per il creep la tensione è posta pari a 100 g/cm.

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2.4.4 Modifiche morfologiche e meccaniche dei costituenti del